CN116482685A - 一种基于波束域相位中心互相关法的自适应dbf方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF方法，包括：步骤1)子阵划分与波束形成；步骤2)形成波束域的相位中心；步骤3)对相位中心进行互相关处理；步骤4)进行多快拍处理；步骤5)计算DOA；步骤6)计算加权矢量。本发明能够通过波束域相位中心互相关法计算权值，解决波束指向偏差问题，补偿接收增益的损失，提高图像的信噪比。
Description
技术领域
本发明属于高分辨率宽测绘成像技术领域，具体涉及一种基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF（数字波束形成）方法。
背景技术
合成孔径雷达(SAR)不受云、雨、雾等恶劣天气的影响，具备全天时、全天候对地成像观测能力，是微波遥感技术领域研究和应用的热点。合成孔径雷达分别利用距离向宽带脉冲信号与方位向多普勒频率信号实现二维高分辨率成像。在传统收发同置天线的SAR系统中，要实现高分辨率则要求PRF尽可能大，但高PRF则会带来距离向模糊问题；而要实现宽幅成像则要求PRF尽可能小，但低PRF则会带来多普勒模糊问题。因此方位向分辨率与测绘带幅宽之间性能相互制约。为了解决这个问题，多通道技术被提出。高程多通道SAR采用数字波束形成（DBF）技术来提高SAR系统性能。该技术在俯仰向配置多个子孔径，并通过时变加权处理，形成一个等效的高增益数字波束来追踪回波。在设置加权系数时，假设地球为一个理想的光滑球体，并利用余弦定理确定出回波时间与波达角的对应关系，而后得出各时刻的加权矢量。然而在实际情况中，地球是一个具有平原、山地、丘陵以及盆地的椭球体。在地表起伏较大的山地区域，若仍以理想球体模型来计算波束形成加权矢量，则会造成波束指向的严重偏差，导致接收增益的损失和信噪比的恶化。
针对这一问题，Krieger Gerhard提出了同时形成多个相邻的俯仰向窄波束进行扫描接收，而后在这多个波束输出中选取最大值的方法。Bordoni Federica提出了通过对原始数据进行星上实时分析来确定信源到达角的方法。冯帆、周亚石等提出了基于Capon空间谱估计的自适应DBF方法，通过对到达角的估计来计算加权矢量的值。
Krieger Gerhard的方法由于波束之间是紧邻的，因此串扰效应非常严重。Bordoni Federica的方法由于发射脉冲有一定的脉宽，因此信源的原始回波在时域上有一定的延展，这使得利用该方法来估计信源位置会有较大的误差。冯帆、周亚石等的方法对快拍数有一定的要求，且需要对矩阵求逆或者进行谱峰搜索，整体计算量较大。
发明内容
针对DBF方法在地形起伏大的区域存在波束指向偏差，导致接收增益损失和信噪比恶化的问题，以及基于Capon的自适应DBF方法计算量较大的问题，本发明提出一种基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF方法，包括如下步骤：
步骤1)划分子阵并形成波束；
步骤2)形成波束域的相位中心；
步骤3)对相位中心进行互相关处理；
步骤4)进行多快拍处理；
步骤5) 计算波达方向；
步骤6)计算加权矢量。
进一步地，所述步骤1）包括：将整个阵列的M个阵元划分为5个子阵，在理想球体模型的视角方向对5个子阵进行波束形成，得到5个输出信号，第k个输出信号为：
(1)
其中，为参考通道接收信号，M为整个阵列阵元数，L1为子阵阵元数，D为子阵间隔，/>为天线法线方向视角，/>为信号到达角，/>为中间变量，/>，1j为虚数符号，i为阵列序号，d为俯仰向天线阵元间距，λ为信号载波的波长，exp[]表示指数函数。
进一步地，所述步骤2）包括：
将相同的理想球体模型的视角方向上形成波束之后的信号按顺序两两相加得到4个相位中心信号，第k个相位中心信号/>为：
(2)
其中，，Y为公式中的公因式，用以缩短公式长度，无实际含义。
进一步地，所述步骤3）包括：
对相邻相位中心进行共轭相乘,得到3个信号：
(3)
(4)
(5)
其中，，/>，/>，/>为第1，第2，第3，第4个相位中心信号，/>,/> , /> 分别为/>，/> ， />的共轭；
将式（3）-式（5）的结果相加并化简后得到：
(6)。
进一步地，所述步骤4）包括：
利用方位向N次采样，得到的N个相加结果，对N个结果求相角，得到每个相角：
(7)
取平均得到处理后的相角为：
(8)
其中，N为方位向的采样数。
进一步地，所述步骤5）包括：
将替换/>代入/>中，得到真实的信号到达角/>：
(9)。
进一步地，所述步骤6）包括：
将真实的信号到达角代入加权矢量计算公式：
(10)
其中，为第n个通道距参考通道距离；将加权矢量用于DBF处理。
本发明至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)能够通过波束域相位中心互相关法计算权值，解决波束指向偏差问题，补偿接收增益的损失，提高图像的信噪比；
(2)能够取得比基于Capon的自适应DBF方法更好的处理效果；
(3)计算量比基于Capon的自适应DBF方法更少，能够减少处理时间。
附图说明
图1为本发明的基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF方法流程图；
图2为子阵划分示意图；
图3为16通道机载实测数据单通道的SAR图像结果；
图4为16通道机载实测数据经过DBF合成后的成像结果；
图5为基于Capon的自适应DBF处理后的SAR图像；
图6为利用本发明方法处理后的SAR图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF方法包括如下步骤：
步骤1)子阵划分与波束形成：
图2为子阵划分示意图，其中M为整个阵列阵元数，L1为子阵阵元数，D为子阵间隔，为天线法线方向视角，/>为信号到达角。将整个阵列M个阵元划分为5个子阵，在理想球体模型的视角/>方向对5个子阵进行波束形成，得到5个输出信号。第k个输出信号为：
(1)
其中，为参考通道接收信号，/>，1j为虚数符号，i为阵列序号，d为俯仰向天线阵元间距，λ为信号载波的波长，exp[]表示指数函数，/>仅为中间变量，用以缩短公式长度，无实际含义。
步骤2)形成波束域的相位中心：
将相同方向上进行波束形成之后的信号按顺序两两相加得到4个相位中心信号。第k个相位中心信号/>为：
(2)
其中，，Y为公式中的公因式，用以缩短公式长度，无实际含义。
步骤3)对相位中心进行互相关处理：
对相邻相位中心进行共轭相乘,得到3个信号：
(3)
(4)
(5)
其中，，/>，/>，/>为第1，第2，第3，第4个相位中心信号，/>,/> , /> 分别为/>，/> ， />的共轭；
可以看到相位中心互相关处理后的相位差是相同的，因此将上式结果相加并化简后得到：
(6)
步骤4)进行多快拍处理：
利用方位向N次采样，得到的N个相加结果。对N个结果求相角，得到每个相角：
(7)
取平均得到处理后的相角为：
(8)
其中，N为方位向的采样数。
步骤5) 计算波达方向（DOA）：
将代入/>中，可以得到真实的信号到达角/>：
(9)
步骤6)计算加权矢量：
将真实的信号到达角代入加权矢量计算公式：
(10)
其中，为第n个通道距参考通道距离。将加权矢量用于DBF处理即完成了所有处理。
图3为16通道机载实测数据单通道的SAR图像结果，图4为16通道机载实测数据经过DBF合成后的成像结果。可以看到，经过DBF合成后，图像整体信噪比提升，但山顶区域的SAR图像由于存在较高的扫描增益损失，导致合成后SAR图像的SNR恶化，尤其是图4中白色框标注区域。图5为利用基于Capon的自适应DBF处理后的图像，图6为利用本发明方法处理后的SAR图像。可以看出山顶区域的SAR图像经过自适应DBF方法处理后扫描增益损失得到了补偿，合成后SAR图像的SNR提升。
为了比较两种方法的处理结果，本发明计算了两种方法相比于DBF处理后的平均信噪比提升量。另外，本发明给出了不同方法得到一个DOA所需的计算复杂度。以上结果如表1所示。
表1
从表1中结果可以看出，本发明方法相比与基于Capon的方法计算复杂度降低，且取得了更好的效果。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)划分子阵并形成波束；
步骤2)形成波束域的相位中心；
步骤3)对相位中心进行互相关处理；
步骤4)进行多快拍处理；
步骤5) 计算波达方向；
步骤6)计算加权矢量。
2.根据权利要求1所述的一种基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF方法，其特征在于，所述步骤1）包括：将整个阵列的M个阵元划分为5个子阵，在理想球体模型的视角方向对5个子阵进行波束形成，得到5个输出信号，第k个输出信号为：
(1)
其中，为参考通道接收信号，M为整个阵列阵元数，L1为子阵阵元数，D为子阵间隔，/>为天线法线方向视角，/>为信号到达角，/>为中间变量，/>，1j为虚数符号，i为阵列序号，d为俯仰向天线阵元间距，λ为信号载波的波长，exp[]表示指数函数。
3.根据权利要求2所述的一种基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF方法，其特征在于，所述步骤2）包括：
将相同的理想球体模型的视角方向上形成波束之后的信号按顺序两两相加得到4个相位中心信号，第k个相位中心信号/>为：
(2)
其中，，Y为公式中的公因式，用以缩短公式长度，无实际含义。
4.根据权利要求3所述的一种基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF方法，其特征在于，所述步骤3）包括：
对相邻相位中心进行共轭相乘，得到3个信号：
(3)
(4)
(5)
其中，，/>，/>，/>为第1，第2，第3，第4个相位中心信号，/>,/> , /> 分别为，/> ， />的共轭；
将式（3）-式（5）的结果相加并化简后得到：
(6)。
5.根据权利要求4所述的一种基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF方法，其特征在于，所述步骤4）包括：
利用方位向N次采样，得到的N个相加结果，对N个结果求相角，得到每个相角：
(7)
取平均得到处理后的相角为：
(8)
其中，N为方位向的采样数。
6.根据权利要求5所述的一种基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF方法，其特征在于，所述步骤5）包括：
将替换/>代入/>中，得到真实的信号到达角：
(9)。
7.根据权利要求6所述的一种基于波束域相位中心互相关法的自适应DBF方法，其特征在于，所述步骤6）包括：
将真实的信号到达角代入加权矢量计算公式：
(10)
其中，为第n个通道距参考通道距离；将加权矢量用于DBF处理。
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